建筑艺术的自然采光与环境节能设计研究

姚江+李宪锋

摘 要：大量的建筑实例表明，相对于空间需求而言，采光的实用性功能往往容易获得人们认可，但在精神需求方面却往往很难以简单的方式得以实现。光与影在室内外成功的运用所产生的视觉艺术效果，不仅能满足实际的使用功能，又可以带给人们愉悦的精神感受。自然光线不仅可以为建筑提供理想的照明效果，通过建筑形式对它加以控制和利用后，还可以解决建筑空间的采暖等问题，实现建筑的节能目的，这是当今建筑采光设计研究的重点。

关键词：建筑艺术； 照明设计； 自然光； 环保节能；环境艺术设计

中图分类号：J59 文献标识码：A

自然光是取之不尽、用之不竭的绿色能源。在进行自然采光设计时，运用技术调节或关闭部分人工照明设备，达到节省电力的目的，这样不仅减少了照明设备向室内散热，同时也节省了空调运行的电力。自然光对室内的照射在增加室内照度、节省照明用电的同时，也会使太阳辐射的热量增加。现代室内照明设计中过度依赖人工照明，这不仅阻碍了人与大自然的联系，也造成了极大的能源消耗，同时给人类健康带来了各种隐患。从建筑节能角度来讲，室内自然采光设计是建筑节能中极为重要的内容，但至今尚未引起我国建筑行业和室内设计行业的足够重视。

一、建筑形式与自然采光

照明设计大师路易斯·康曾说：“自然光是唯一能使建筑艺术称之为艺术的光。”太阳光沿着建筑形式的变化而流动，建筑影像跟随自然光的流动而改变，贝聿铭的伊斯兰历史博物馆完美展现了这一设计理念。建筑体量、建筑平面规划、建筑剖面和建筑外墙体的虚实都是基本的建筑形式因素，在自然采光设计中，这些建筑形式都对采光起着基本的决定因素。不论是从建筑的自然采光效果，提高室内的视觉舒适度，还是从解决建筑内部的某项功能性任务来讲，建筑形式都是与采光过程紧密相连的。

我们必须首先明确建筑进行自然采光的目的（照明、被动制冷或被动供暖）以及所需要达到的内部视觉效果，在明确设计目标后再进行物质层面上的建筑形式与采光关系的探讨。基本的建筑形式是由建筑体量、建筑平面规划、建筑剖面和建筑外墙体来构成的。建筑内部空间自然采光的主要因素是对采光方式的研究，采光方式决定了建筑空间光的照度范围和方向，从原则上讲，所有的建筑采光方式应依据建筑空间功能的不同要求而设定。形式的主旨是对本质的具体化表现，它由各种不可分割的元素组合而成。形式的构建往往先于设计，形式引导设计的发展方向，因为形式是把握各项元素之间关系的纽带。建筑形式的设计在很大程度上对自然采光设计的合理性与科学性产生决定性影响。建筑形式的构建必须以明确的自然采光原则和准则为设计基础，从确定采光的内容和目的着手设计。

二、建筑物体量与自然采光

随着人工照明的出现及大量普及，建筑对自然光照的需求变得明显降低，由于不再受自然采光设计的约束，大进深的建筑空间，大体量的建筑规模开始出现，同时也导致了建筑物内部与外界自然环境、自然景观之间的联系减少以及自然光照的缺失和自然通风的阻塞。虽然人工照明可以为建筑空间提供优质的照明效果，但却无法取代自然光给人的生理上带来的积极作用，导致的结果是建筑能耗的急剧增加和各种心理及生理疾病的产生。没有自然光，一个空间就无法成为真正的建筑。随着自然光的射入，自然光通过一天不同时间段和一年中的季节更替所产生的微妙变化，对建筑空间进行光照度的明暗、冷暖调节，为建筑空间提供了丰富的视觉感受和变换的意境。为保证建筑空间的各部分都可得到的自然光的照射，在建筑物的体量与建筑平面、剖面设计方面应进行合理的控制。小体量的建筑物较适合采用双侧或多侧采光，而体量巨大的建筑则可以利用垂直采光井、内部庭院以及采光门厅等设计手法来保证建筑物内部的自然采光。在中国南方夏季温度较高，控制室内温度是节能的首要工作，在建筑设计上宜采用小面宽大进深的构建格局；北方冬季漫长寒冷，节能以室内保温为主，建筑体量宜采用长宽比大（即大面宽小进深）的建筑格局。从自然光的采光角度考虑，随着建筑进深的增加内部光线会越来越弱，因此一方面建筑进深不宜过大，另一方面尽可能减少空间内的隔墙对自然光线的遮挡，以确保采光照度值和光照均匀度。所以在构建建筑体量时应兼顾内部空间光热环境的节能需求，最终计算出最佳的长宽比值。

三、建筑平面、剖面规划与自然采光

建筑的平面、剖面设计方案，在很大程度上决定了阳光入射到建筑室内的角度、深度和广度，同时也确定了建筑物内部空间的光照模式，进而确定建筑外部遮阳设施的制式和悬挑规格，因此，建筑物平面与剖面的设计可以描述照明的序列关系以及室内外之间的相互联系。甚至还可以研究光照在内部空间所形成的氛围和性质。要使建筑内部空间获得充足的自然光照并形成恰当的自然光性质，房间的进深和高度就成为自然采光设计所受到的限制因素之一。自然光线从室外入射到室内，建筑单项侧面采光建筑在自然采光上面临的最大难题就会显现，那就是光照量会从入射口向室内深处迅速衰减。若在设计上采用双侧或多侧采光，就可以在很大程度上提高室内的光线射入量和光照分配量。由于这些方法都是从周围墙壁或周边空间进行采光设计，把自然光线引入室内，所以建筑的进深成为采光设计的主要因素。而屋顶采光则可以将自然光线引入到建筑内部的几乎任何位置，所以，建筑物的高度就成为影响建筑物底层部分采光的更重要因素。房间的进深和高度还会影响到建筑的窗户、天窗的具体位置及大小。建筑的表面形式经过确定功能的采光设计后可以储存、反射、过滤，甚至按照设计的需要改变光线照射路径，重新分配自然光。通过建筑立面窗户位置的选择，可以调节和控制自然光的入射形式及效果。

四、 基于光导向系统的日光偏转技术

依据平面镜或棱镜反射原理的日光偏转技术，通过对太阳光线更为灵活，更为智能的应用，可以达到光线的最优化应用。它包括建筑采光节能设计和热工节能设计两个方面，建筑采光节能设计要求将自然光有效引入室内，不但满足了视觉实用方面的功能需求，同时达到了节省室内照明用电的功能。

英国环境部门的一项研究表明，由于高档的办公建筑外墙多采用防晒玻璃和垂直遮光帘，阻挡或消除了外界的自然光照，导致了室内对人工照明需求的增加，而建筑物内部的照明系统要比供热系统和冷却系统消耗更多的能源，这项研究清晰的表明了一个观点：提高自然光的利用率可有效降低建筑能耗。日光偏转技术可有效同时解决建筑物内部的视觉舒适度要求和热舒适度要求。日光偏转的目的和用途就是通过影响入射光线的方向从而改变光线的强度，所以日光偏转系统可以实现防护和供给两种功能。由此可见，日光偏转技术的工作原理就是以一种可控的方式使自然光进入建筑物内部或将其反射回空中，它的物理依据是平面镜或棱镜对光线的反射原理。一般情况下，日光偏转系统的安装位置多位于建筑物的玻璃顶棚或外墙，根据系统与建筑物本身的联系又可以分为安装于建筑物外部，内部或集成于隔热玻璃内三种安装方式。若太阳位置较高，则回复技术适用于建筑物的外墙，90%以上的太阳能量会通过光偏转系统向外墙偏转，只有少量的室内照明所必须用到的日光会到达室内。当太阳能辐射光线被回复反射而不是被吸收时，建筑物外墙的过度升温现象就会避免。安置在建筑物内部的光回复技术，通过对太阳光线和热量的反射，可以将大约入射能量的50%偏转回室外，由于有玻璃层，只有13%～26%的太阳能量进入室内。光回复系统集成在隔热玻璃中，可以得到一个小于0.2的衰减因数值，较之室外遮阳所提供的热能环境，可得到更理想的室内热环境。根据玻璃涂层的情况不同，90%的太阳能会被阻挡，最多会有7%～10%的能量以光和热形式被传输进来。目前，国内在室内采光中用的最多的是传统的室内遮光百叶窗，这种百叶窗虽然可以取得较好的遮光效果，但同时也会使一些积聚的热量流进室内，导致室内气温升高。尤其是在炎热的夏季，这种百叶窗可以看作是一种热吸收器和进入室内的空气挡板，在阻挡了室内与室外空气流通的同时造成了室内的气温升高。

五、结论

在实现可持续发展这个大的社会背景下，无节制的向自然过渡索取的生产生活方式已走到了终点。自然采光设计是建筑生态设计的一个重要组成部分，对节能减排，降低大气温度，减缓全球气候变暖有着积极的作用。自然光运用仅仅是生态建筑中的一小部分，它体现着建筑外部和内部环境之间的相互关联性，这些因素最终是通过建筑形式来完成并产生实际意义，这样不仅促进了环境的协调，同时给生态设计提供了发展的空间。这是现代建筑得以持续发展的基本前提，是建筑生态设计的基本特征。也是向建筑师和室内设计师提供一个新的设计理念切入点。（责任编辑：帅慧芳）